우물(관정)의 설계 및 시공

우물의 설계 및 시공

1. 우물 설계시 기본적인 고려 사항

가. 대수층의 특성에 맞는 양수설비로 적정량을 양수하여야 한다.

나. 우물의 효용성을 최대한 살려야 한다.

다. 양질의 지하수를 생산하고 오염을 막을 수 있어야 한다.

라. 최소 경비로 설치하되 수명이 길어야 한다.

2. 관련자료 수집

설치 대상 지점 인근의 기존 우물로부터 예상 산출량, 대수층의 심도, 대수층의 종류, 수리지질학적 특성, 지하수질 등의 관련 자료를 수집하여야 한다. 수집 자료를 토대로 전기탐사 등 물리탐사를 실시하여 대수층 발달 구간을 예측하고 지하수 영향조사를 위한 시험정을 굴착, 정밀조사를 실시하며 필요시 관측공을 굴착한다. 한편, 굴착된 시험정은 영향조사가 완료된 이후 취수정으로 활용 가능하다.

3. 굴착 구경 및 심도 선택

우물 개발의 목적, 용도 및 예상 취수량 등을 고려하여 암반층과 충적층별로 우물의 굴착 구경과 심도를 결정한다. 일반적으로 굴착 구경은 상, 하부의 구경이 항상 동일할 필요는 없으며 착정 조건이나 기타 요인에 의거 하부에서 구경을 줄일 수도 있다.

4. 케이싱(무공관)의 선택

우물 굴착 직경을 결정하면 굴착경에 적당한 외부 케이싱 및 내부 케이싱의 구경을 선택하고 케이싱의 재질을 결정한다.

가. 케이싱은 재질에 따라 ABS, PVC, 스틸렌 고무, 유리섬유 에폭시, 석면시멘트, 주철관, 강철관, 스테인레스관 등이 있으며 우물의 심도 및 구경, 지하수질, 가격, 우물의 종류 및 용도, 관련법규 등을 고려하여 적당한 재질의 제품을 선택한다.

나. 케이싱의 직경은 수중모터펌프를 설치하여 효율적으로 작동될 수 있을 정도가 되어야 한다. 예상되는 양수량과 이에 적당한 펌프 및 케이싱 직경의 관계는 표 8.1과 같다.

다. 케이싱의 두께는 설치 및 사용 동안에 외부에서 가해지는 압력을 견딜 수 있을 정도가 되어야 한다.

표 8.1 양수량과 펌프 및 케이싱 직경

 

예상양수량			펌프 직경	최적 케이싱직경	최소 케이싱직경	비 고
gal/min	ℓ/s	㎥/day	inch	inch	inch
< 50 < 100 75 ~ 175 150 ~ 400 350 ~ 650 600 ~ 900 850 ~ 1300 1200 ~ 1800 1600 ~ 3000	< 3.15 < 6.3 4.7 ~ 11 9.5 ~ 25 22 ~ 41 38 ~ 57 54 ~ 82 76 ~ 114 101 ~ 189	< 272.16 < 544.32 406.08～950.4 820.8～2160 1900.8～3542.4 3283.2～4924.8 4665.6～7084.8 6566.4～9849.6 8726.4～16329.6	2 4 5 6 8 10 12 14 16	4ID 6ID 8ID 10ID 12ID 14OD 16OD 20OD 24OD	3ID 5ID 6ID 8ID 10ID 12ID 14OD 16OD 20OD	ID:내경 OD:외경

 

5. 스크린(유공관)의 선택

각종 조사결과를 바탕으로 스크린의 설치 여부를 결정하고 스크린을 설치하여야 하는 경우에는 대수층의 위치 및 특성을 고려하여 스크린의 길이, 직경, 재질 및 개공율을 결정한다

가. 스크린 길이의 결정

다음 식에 의하여 스크린의 길이를 결정한다.

 

 

여기에서, L = 스크린 길이 (m)

Q = 산출량(m3/분)

Ae = 1m2를 단위면적으로 하였을 경우의 스크린 길이 1m당 유효 개공면적(Effective aperture area)(일반적으로 유효 개공면적은 총 개공면적의 약 1/2에 해당한다[m2/m].)

Ve = 스크린내로 지하수의 유입속도(m/분)

나. 스크린 개공 크기의 결정

대수층 시료에 대한 입도 분석을 실시하여 그 결과를 토대로 개공 크기를 결정한다(표 8.2).

◦ 균등계수(Uniformity Coefficient, Cu)

 

여기에서, D10 : 체분석시 전체 시료의 10%가 체를 통과하는 입자 크기

D60 : 체분석시 전체 시료의 60%가 체를 통과하는 입자 크기

 

표 8.2 스크린 개공 크기의 결정

 

구 분	개 공 크 기
균등계수가 6이상인 경우	대수층시료의 30~40%가 통과하지 못하도록 결정
균등계수가 6이하인 경우	대수층시료의 40~50%가 통과하지 못하도록 결정
대수층의 물이 부식성이거나 대수층의 시료가 의심스러울 경우	상기 경우보다 10% 더 큰 것을 선택
가는 모래가 굵은 모래위에 존재할 경우	굵은 모래 상부 0.61m(2ft) 구간에 대해서는 가는 모래의 개공크기를 사용하며, 굵은 모래 개공 크기가 가는 모래 개공크기의 2배 이상이 되지 않아야 함
자갈을 충진한 정호의 경우	스크린 개공의 크기는 자갈의 85-100%를 통과시키지 못하는 크기에 해당되어야 함

6. 굴착방법의 선택

대상지역의 분포 지질, 우물의 구경 및 예상 심도 등을 고려하여 다음의 굴착방법 중 가장 효율적인 굴착방법을 선택한다.

가. Cable Tool(Percussion Method)

굴착을 위한 뾰족하고 무거운 추를 반복적으로 들었다 놓았다 하면서 단단한 암석을 파쇄하는 방법으로 굴착을 한다. 미고결층의 굴착시에는 공벽을 지지하기 위하여 굴착전 몇 미터씩 케이싱을 삽입한 후 굴착하며 물을 주입하여 슬러지를 만든 후 양수관 또는 펌프를 사용하여 암편을 제거한다.

나. 회전식 방법(Rotary Method)

여러 톱니가 달린 파이프를 돌림으로써 굴착하는 방법으로 원활한 회전과 암편의 제거를 위하여 유체를 주입하며, 유체의 주입방법에 따라 정회전방식과 역회전방식으로 분류된다. 정회전 방식은 유체를 안쪽으로 주입하여 바깥쪽으로 배출시키며 역회전방법은 반대로 바깥쪽으로 주입하여 안쪽으로 배출한다. 이 방법은 미고결 퇴적물이 두꺼운 지역에서 높은 산출량을 필요로 할 때 사용한다. 한편, 에어로터리 방법은 굴착시 유체를 주입하는 대신에 공기를 주입하여 암편을 제거하며 주로 지층이 단단한 암석일 경우에 사용이 가능하다.

다. 충격식 방법(Hydraulic Percussion Method)

에어해머 드릴 등을 이용하여 굴착 로드를 짧은 시간 간격으로 여러번 충격을 주어 굴착하는 방법이다. 이 방법은 굵은 자갈로 구성된 충적층을 굴착할 때 유용하며 슬러지 제거에는 압축공기를 사용한다.

라. 분사 방법(Jetting Method)

파이프 아래에 비트를 달아 고압으로 물을 분사하는 동시에 비트의 진동으로 굴착한다. 이 방법은 미고결층에서 15㎝ 이하의 소구경 굴착을 할 때 주로 사용한다.

마. 오거 방법(Auger Method)

오거 방법은 자갈 등의 암석덩어리를 포함하지 않고 있는 미고결층에 한정하여 사용할 수 있다. 이 방법은 보통 우물개발시에는 사용하지 않으며 대신 지질공학적인 지반조사에 필요한 시험용 우물 굴착시 사용한다.

바. 타설우물(Driven Well)

타설우물(Driven Well)은 소구경으로 비교적 자갈들이 없는 부드러운 지층에서 개발할 수 있으며 보통 15m 심도까지 굴착이 가능하다.

한편, 각 방법별 장단점은 표 8.3에 수록하였다.

표 8.3 굴착방법별 장단점

 

굴 착 방 법		장 점	단 점
Cable Tool		◦양호한 시료채취 가능 ◦다양한 심도/구경의 정호개발 가능 ◦대수층의 인식이 용이함 ◦경암층 정호개발에 적합함	◦점토질층에서 굴착시 속도가 느림 ◦오래된 장비를 사용시 잦은 고장 ◦케이싱구경보다 큰 구경으로 굴착을 해야함
로터리 방법	정회전방식	◦속도가 빠르며 비용이 저렴 ◦다양한 심도/구경의 정호개발 가능 ◦유체로 사용되는 진흙으로 인해 안정된 정호가 형성됨	◦시료 채취가 곤란 ◦유체로 사용되는 점토가 인근 암석층에 거름막 역할을 함 ◦경암에서의 개발은 불리함
	역회전방식	◦거름막 역할을 하는 점토층 제거 용이 ◦대구경으로 굴착시 비용 저렴 ◦공극률이 큰 지층에서 굴착 용이 ◦개발된 정호는 비교적 안정되고 깨끗함	◦공극률이 큰지층 굴착시 물의 공급이 필요하며, 회전율이 떨어짐 ◦고결암층이나 자갈이 많은 지층의 굴착은 불가능 ◦지하수위가 낮거나 투수율이 높은 층에서 붕괴가 발생
	에어로터리방식	◦장비설치 시간이 짧음 ◦다른 로터리방식보다 상대적으로 굴착시간이 짧고 비용이 저렴 ◦비교적 양호한 시료회수가 가능	◦지표에 보호막 설치가 필요 ◦미고결층에서는 불리 ◦굴착심도에 제한이 있음
충격식 방법		◦굴착속도가 빠르고 시료회수율이 높음 ◦큰 자갈등이 포함된 미고결층에서의 굴착에 유리함	◦대구경 굴착시 연암의 분쇄로 인해 지층이 봉인됨

7. 충진력

가. 목적

충진력은 스크린과 공벽사이의 공간에 설치하며 ①모래의 유입을 방지하여 대수층을 안정시키고 ②스크린의 개공율과 투수성을 높이고 유입속도를 낮추며 ③우물의 유효반경을 넓히고 ④스크린을 우물 중앙에 안정적으로 위치하게 하기 위하여 실시한다.

나. 충진력이 필요한 지층

(1) 세립질의 균질한 모래층

(2) 두꺼운 피압대수층

(3) 고결정도가 낮은 사암층

(4) 얇은 층리로 되어있는 지층

다. 충진력 두께

충진력 두께는 대수층특성에 따라 결정하는데 일반적으로 3～5 inch (76.2㎜～127㎜)이며, 최대 12inch(300㎜)를 넘지 않는다.

라. 충진력 재료

(1) 규산질모래 또는 자갈이 가장 보편적으로 사용된다.

(2) 개개의 자갈은 서로 크기가 균일하며 일정하고 부드럽게 마모가 된 것이어야 한다.

(3) 평균비중은 2.5 이하여야 하며, 비중이 2.25이하인 재료는 중량비로 전체의 1%이내로 하여야 한다.

(4) 마모가 불량한 재료는 중량비로 전체의 2% 이내로 하여야 한다.

(5) HCl 산성 용액에 용해되는 재료가 중량비로 전체의 5%이내로 하여야 한다.

(6) 셰일, 운모류, 점토, 로움(loam), 기타 유기질 불순물이 없어야 한다.

(7) 지하수질에 영향을 미치는 철(Fe), 망간(Mn) 성분이 없어야 한다.

마. 충진력 설치 방법

(1) 충진장소가 넓고, 충진재료가 균일한 심도가 얕은 우물의 경우 단순히 지표면에서 삽으로 충진재료를 퍼 넣는다.

(2) 심도가 깊은 우물은 트레미(Tremie) 파이프나 펌프를 이용한다.

(3) 설치시에 재료의 분리나 브리지(bridge) 현상이 일어나지 않도록 한다.

8. 우물형성

가. 우물형성의 목적

굴착과 우물개발 과정 중 감소된 지층의 투수율을 원상태로 회복시키고, 대수층면에 붙어있는 세립질 물질을 제거함으로써 투수율을 높이기 위하여 실시한다.

나. 우물형성의 종류 및 방법

 

우물 형성 종류		방 법
Overpumping		◦가장 쉬운 방법으로 우물내 수중모터펌프를 평상시 보다 높은 비율로 작동시켜 우물 주변의 세립질 물질을 제거하는 방법 ◦단점 : 다른 방법보다 효율이 떨어진다. ◦장점 : 비용이 저렴하고 충진력을 설치한 우물이나 경암 혹은 균질한 사암층으로 되어있는 우물에서는 비교적 효과적이다.
Back- washing	배일링 (Bailing)	우물내에 물을 주입하고 모래펌프나 배일러(Bailer)를 이용하여 물과 침전물을 제거한다.
	써어징 (Surging)	케이싱내에 케이싱구경보다 약간 작은 써어징블록을 넣고 상하운동 빠르게 반복함으로써 실시한다. 상승운동시에는 공내 물을 빨아올리고 하강운동시에는 물을 지층사이로 강제로 밀어넣는다.
	압축공기 (Compressed Air)	압축공기는 공내 물을 스크린 밖으로 강제로 밀어내고 압력 감소시 세립질 물질은 떠다니다가 제거된다. 이방법은 Bailing을 통해 깨끗이 청소된 상태에서 시행할 때 보다 효과적이다.
	고속 분사 (High-velocity Jetting)	이방법은 우물형성에 가장 효과적인 방법으로서 우물내에 물을 고속으로 분사하여 공벽에 부착된 물질을 제거하고 세립질 물질은 부유상태로 만들어 공밖으로 밀어낸다.

 

9. 그라우팅

가. 목적

케이싱과 공벽사이 혹은 내부케이싱과 외부케이싱 사이의 공간에 불투수성 물질을 투입함으로써 ①오염물질로부터 대수층을 보호하고 ②공내 지하수와 접촉하는 케이싱을 보호하고 ③선택된 지역을 밀봉하기 위하여 실시한다.

나. 그라우팅 재료

시멘트, 골재, 물을 주로 하고 첨가물로 모래, 벤토나이트, 수화석회 등을 사용한다.

다. 주의사항

그라우팅은 최소 5cm 이상의 두께로 실시하며 설치하는 장소에 빈 공간이 생기지 않도록 완전히 봉한다.

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